Už deset let pracují vědečtí a vývojoví pracovníci z brněnského výzkumného centra společnosti Honeywell na přípravě další etapy přeplňovaných spalovacích motorů v automobilech. Tou se stanou elektrifikovaná turbodmychadla.
„V současné době je tato technologie z naší strany plně připravená k zahájení vývoje pro nové motory montované do běžných aut,“ říká vedoucí testovací laboratoře turbodmychadel Libor Urbanec.
K čemu je v autě turbodmychadlo?
Turbodmychadlo (často se zkracuje pouze na "turbo") je typ čerpadla, které pomáhá zvětšovat množství vzduchu a paliva vstupujícího do spalovacího prostoru motoru a tím významně zvyšuje jeho výkon. Využívá energii výfukových plynů, která by jinak přišla vniveč. Turba se dříve používala pouze u naftových motorů, nyní se čím dál více prosazují i u pohonných jednotek spalujících benzin.
Honeywell, který je jedním z největších producentů turbodmychadel na světě a vyrábí je pro automobilový průmysl například i na Slovensku, automobilkám slibuje, že s touto technologií dojde k snížení emisí CO2 a oxidů dusíku. „Kvantifikovat to zatím nemůžeme, protože záleží na technické strategii vývoje daného výrobce motoru, ale mohlo by se to pohybovat v řádu jednotek procent,“ říká Urbanec.
V principu může elektromotor, který se přidá k turbodmychadlu, roztáčet kolo kompresoru v podmínkách, kdy ještě není k dispozici dostatečný tlak výfukových plynů. Do motoru se tak dostane stlačený vzduch výrazně rychleji, než to dokážou současná mechanická turbodmychadla. To v konečném důsledku znamená, že řidič dosáhne po sešlápnutí plynového pedálu požadované rychlosti dříve, může ho proto také dříve uvolnit, a tím se zákonitě sníží spotřeba i emise CO2. Obě tyto veličiny spolu souvisejí přímou úměrou.
„V počátcích používání turbodmychadel byla prodleva účinku přeplňování v řádech několika sekund, nyní se to díky několikastupňovým turbodmychadlům a variabilním lopatkám podařilo zredukovat pod jednu sekundu, ale elektrifikace bude znamenat nástup účinku v řádu několika desetin sekundy,“ vysvětluje Urbanec.
To, že to opravdu funguje, dokazují technologie používané v motosportu. Konkrétně turbodmychadly vyvíjenými experty Honeywellu byly osazeny motory již šestnácti vítězných vozů čtyřiadvacetihodinovky z Le Mans. Jeden z nich, desetiválcový turbodiesel, který v roce 2010 zajistil vítězství továrnímu týmu Audi, je dokonce v současné době vystaven v předsálí testovací laboratoře. V současné době se přímo zde v Brně pracuje na turbodmychadlech pro tovární týmy Porsche i Audi, které se zúčastňují závody prototypů ve vytrvalostních závodech.
Hlavně jsou ale v brněnském Honeywellu pyšní na svoji práci, kterou odvádějí pro tým formule 1 Scuderia Ferrari. Turbodmychadla integrovaná do hybridního systému červených monopostů dodávají od sezony 2014, kdy se do této nejvyšší ligy motosportu opět vrátily přeplňované motory.
Rychlejšímu nasazení elektrických turbokompresorů do běžných aut brání nutnost přeměny jejich elektrické soustavy z dosud používaných 12 voltů na 48, protože elektromotor potřebuje k rychlému roztočení kompresorového kola ve velmi krátkém čase velké množství elektrické energie. Na takový odběr není klasická dvanáctivoltová soustava nynějších aut stavěná.
Automobilky na tom v součinnosti s dodavateli dílů intenzivně pracují. Autor tohoto článku měl již před dvěma lety na workshopu, který značka Audi pořádala pro odborné novináře ve švédském Malmö, možnost vyzkoušet prototyp Audi RS5 TDI Concept, v jehož útrobách byl motor šestiválec 3,0 TDI přeplňován nejen klasickým typem turbodmychadla, ale při rozjezdech ještě druhým - elektrickým.
„Díky tomu nastane maximum točivého momentu už po 250 milisekundách (0,25 sekundy), zatímco nyní se k dosažení téhož spalovací vznětový motor s jedním turbem v klasickém Audi A6 musí nejprve roztočit na 1500 otáček, což trvá mnohem déle,“ sdělil tehdy redaktorovi online deníku Aktuálně.cz jeden z vývojových pracovníků ingolstadtské automobilky. Prvním vozem, kde to zažijí běžní zákazníci, bude v případě Audi model SQ7. Do prodeje by se tento model měl dostat v nejbližších měsících.
"V Audi SQ7 s motorem 4.0 TDI dojde u Audi k prvnímu sériovému nasazení dmychadla (kompresoru), které je poháněno elektromotorem. Elektricky poháněné dmychadlo EAV (elektrisch angetriebener Verdichter) doplňuje zejména v oblasti nízkých otáček práci dvou konvenčních turbodmychadel a umožňuje mimořádně dynamický rozjezd," vysvětluje Petr Kaplan, PR specialista divize Audi společnosti Porsche Česká republika.
Vývoj samotného elektrického turbokompresoru nebyl vůbec jednoduchý. „Musíme vzít v úvahu, že elektromotor bude pracovat v podmínkách, které mu příliš nesvědčí. Tedy například za vysokých teplot, a také při velkých vibracích,“ uvedl Urbanec. Podle něho mají ale přibližně dvě stovky pracovníků, kteří přímo v Brně pracují na vývoji turbodmychadel, štěstí, že spolupracují se specialisty z leteckého odvětví. „Ti mají samozřejmě s podobnými problémy dlouholeté zkušenosti,“ doplnil.
Nakonec se tedy tyto problémy podařilo vyřešit a testy v laboratoři prokázaly, že životnost tohoto zařízení nebude nižší než nyní používaná mechanická turbodmychadla. Při odpovídajícím zacházení by mělo vydržet stejně dlouho jako motor.
V Brně již v současné době pracují na ještě sofistikovanějších systémech, které se od nasazení elektrického turbokompresoru odvíjejí. Další na řadě je například výroba elektřiny pomocí turbíny. V zásadě je opakem elektrického turbokompresoru. Výfukové plyny budou pohánět kolo turbíny propojené s elektrickým generátorem. To umožní vyrobit elektřinu pro jiné systémy ve vozidle.
V hybridních vozidlech pak jednou bude plně elektrická turbojednotka, která vyrábí i využívá elektrickou energii pro vlastní pohon nebo pohon jiných součástí vozu a navíc může přenášet energii zpět na klikovou hřídel motoru. Díky tomu se zvýší účinnost celého soustrojí.
Hudbou pro ještě vzdálenější budoucnost jsou pak elektrické vzduchové kompresory pro palivové články. Ty budou zajišťovat proudění vzduchu skrze vodíkový palivový článek.
